基于調(diào)制波移相的高壓變頻器4象限實(shí)現(xiàn)方案

李成博,常東來(lái),沈傳文,鄭翔

(1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049;2.北京動(dòng)力源科技股份有限公司,北京 100070)

1 引言

單元串聯(lián)型高壓變頻器在很多應(yīng)用場(chǎng)合都需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的4象限運(yùn)行。如果將電機(jī)回饋的能量用泄放電阻消耗掉,不僅浪費(fèi)了能量,而且會(huì)對(duì)變頻器的安全運(yùn)行造成危害。理想的方法是通過(guò)前端的可控整流裝置將電機(jī)回饋的能量回饋到電網(wǎng),這時(shí)候必須做到兩點(diǎn):一是要穩(wěn)住單元的母線電壓;二是要使回饋到電網(wǎng)的電流相位與電網(wǎng)電壓相位盡量保持180°,從而不對(duì)電網(wǎng)造成污染。針對(duì)單元串聯(lián)型高壓變頻器的一般方法是給每個(gè)單元都加一個(gè)用于回饋的三相IGBT可控橋,并且每個(gè)單元都要加一個(gè)控制器來(lái)單獨(dú)控制各自的回饋。這種方法成本比較高,并且因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜而使可靠性降低。本文在分析了單元串聯(lián)型高壓變頻器4象限運(yùn)行的機(jī)理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了在回饋能量時(shí),先用帶有串連補(bǔ)償環(huán)節(jié)的間接電流控制算法算出一個(gè)單元的三相回饋橋的調(diào)制波,然后通過(guò)調(diào)制波移相的方法算出其它單元的調(diào)制波。這種方法只需要一個(gè)控制器,具有成本低、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

2 單元串聯(lián)高壓變頻器能量回饋分析

4象限單元串聯(lián)型高壓變頻器的電路拓?fù)溆泻芏?圖1是一種方案的功率單元的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并且每個(gè)單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都一致。由二極管整流橋,三相回饋橋,H逆變橋組成。通過(guò)二極管整流橋整流建立起母線電壓,電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),三相回饋橋被封閉,由H橋?qū)崿F(xiàn)各單元的串連逆變。當(dāng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時(shí),H橋的二極管起全波整流的作用,將再生能量轉(zhuǎn)移到濾波電容中,使母線電壓升高。當(dāng)達(dá)到一定值后,開(kāi)啟三相回饋橋進(jìn)行能量回饋。

圖1 功率單元的電路拓?fù)銯ig.1 Topology of a cell with regenerative device

這時(shí)三相回饋橋的數(shù)學(xué)模型如下:

其中,Sa,Sb,Sc為三相橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)(1代表上橋臂開(kāi)通,0代表下橋臂開(kāi)通)[1]。

如三相回饋橋逆變側(cè)只考慮基波電壓,在穩(wěn)態(tài)時(shí)有:

其中,Ua,Ub,Uc分別代表三相回饋橋輸出的三相基波電壓。這時(shí)的一個(gè)單元a相的矢量圖見(jiàn)圖2。

圖2 單個(gè)單元三相回饋橋a相穩(wěn)態(tài)矢量圖Fig.2 Vector graph of a phase

分析整個(gè)單元串聯(lián)高壓變頻器如圖3所示,在此以5單元串聯(lián)為例。如果后端H橋逆變的控制采用通常的水平移相調(diào)制方法,則各個(gè)單元的回饋能量是一致的,從而可以認(rèn)為各個(gè)單元的母線電壓是一致的。并且各個(gè)功率單元的結(jié)構(gòu)是一樣的,則R,L參數(shù)是相等的。所以各個(gè)單元的不同點(diǎn)在于進(jìn)線側(cè)電壓 E的相位的不一致。故導(dǎo)致各個(gè)單元的矢量圖是一樣的,不同點(diǎn)只在于+15°單元 ,+30°單元,-15°單元 ,-30°單元是將0°單元的矢量圖依次旋轉(zhuǎn) +15°,+30°,-15°,-30°。所以三相回饋橋逆變側(cè)的基波相位依次相差15°。從而我們可以將0°單元算出的調(diào)制波依次移相 +15°,+30°,-15°,-30°得到+15°單元 ,+30°單元,-15°單元,-30°單元的調(diào)制波。這樣我們就可以用一個(gè)控制器來(lái)同時(shí)控制5個(gè)單元的能量回饋。達(dá)到降低成本,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的目的。

圖3 5單元串聯(lián)高壓變頻器結(jié)構(gòu)及能量回饋矢量圖Fig.3 Vector and structure graphs of all cells

3 單個(gè)單元能量回饋的實(shí)現(xiàn)

上面僅僅是對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況進(jìn)行了分析。我們知道,基于間接電流控制方法的能量回饋存在著電流響應(yīng)速度慢和存在直流偏移量的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]提出了一種在三相可控整流中以串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)來(lái)加快電流響應(yīng)速度的方法。我們可以將這種思路應(yīng)用在能量回饋的控制中。

對(duì)式(1)進(jìn)行Park變換,并且使d軸平行于電網(wǎng)電壓矢量。則有在2r坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下:

對(duì)式(3)進(jìn)行拉氏變換有:

其中

而間接電流控制的回饋算法是基于穩(wěn)態(tài)模型的,即算出的調(diào)制波是基于穩(wěn)態(tài)時(shí)的值i*d,i*q?？梢酝茖?dǎo)出電流瞬態(tài)值id,iq與穩(wěn)態(tài)值i*d,i*q的關(guān)系如下[2]:

式(5)是一個(gè)典型的二階振蕩環(huán)節(jié),這正是電流響應(yīng)速度慢的原因。如果我們給穩(wěn)態(tài)電流加上串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié),即令

其中U*(s),I*(s)為穩(wěn)態(tài)模型下的參數(shù),K(s)=G-1(s)Q(s)?？梢哉J(rèn)為在一個(gè)載波周期母線電壓不會(huì)發(fā)生變化,則有U*(s)=U(s),故將式(6)帶入到式(4)中,有:

而我們可以在滿足K(s)的物理可實(shí)現(xiàn)性的前提下人為的設(shè)置Q(s),從而使電流的動(dòng)態(tài)特性變好。在此我們可以將串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)置如下[3,4]:

4 基于調(diào)制波移相的4象限運(yùn)行高壓變頻器結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,整個(gè)控制部分由VdcPI調(diào)節(jié)、串連補(bǔ)償、0°單元調(diào)制波生成部分、調(diào)制波移相和SVPWM調(diào)制構(gòu)成。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)Fig.4 Structure of four-quadrant medium-voltage drive

5 仿真結(jié)果

根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu),用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真條件如下:電網(wǎng)電壓為三相線電壓6 kV,50 Hz;變壓器二次側(cè)通過(guò)延邊三角形輸出5個(gè)單元,線電壓均為700 V,移相角依次為+15°,+30°,0°,-15°,-30°;母線電壓 850 V;交流側(cè)等效電阻0.1 Ω;交流側(cè)電感70mH;電機(jī)功率100 kW;4象限運(yùn)行時(shí)回饋功率為50 kW。在開(kāi)始上電后給母線電容充電,在0.15 s時(shí)使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),當(dāng)母線電壓升到980 V時(shí)開(kāi)啟能量回饋。圖5為各個(gè)單元a相相電壓與相電流波形,可以看出各個(gè)單元電壓和電流的相位接近于-180°,功率因數(shù)達(dá)到-0.95以上。從圖6的各單元母線電壓波形可以看出,在能量回饋時(shí)母線電壓被穩(wěn)定在980 V左右,沒(méi)有再升高。

圖7為電網(wǎng)側(cè)相電壓與電流波形,可以看出網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也保持在-0.95以上。

圖5 各單元a相電壓與電流波形Fig.5 Voltage and current of phase a

圖6 各單元母線電壓波形Fig.6 Voltages of DC bus

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形Fig.7 Voltage and current of input

6 結(jié)論

4象限運(yùn)行對(duì)于單元串聯(lián)型高壓變頻器是一個(gè)很重要的功能。本文在分析了單元串聯(lián)高壓變頻器能量回饋的特點(diǎn)后,提出了一種基于調(diào)制波移相的多單元控制方案,并且對(duì)于其調(diào)制波的生成方法進(jìn)行了討論。通過(guò)仿真證明,這種方法可以降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。

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